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深水船舶机械密封性能分析及结构优化
| 论文题名： | 深水船舶机械密封性能分析及结构优化 |
| 关键词： | 深水船舶;机械密封;热-固边界;动环结构;多目标优化 |
| 摘要： | 深水船舶机械密封处于高压深水复杂环境，若设计或选材不当，易出现磨损、腐蚀以致失效，进而影响船舶航行的安全性和可靠性。本文从数值分析和试验两方面对其密封性能及结构优化开展了系统而深入的研究，以期降低密封的泄漏量并提高其密封性能。 依据真实工作状况建立密封几何模型并确立热-固边界条件，建立船舶艉轴机械密封热-固数值分析模型，并推导出磨损率和泄漏量的计算公式。试验结果验证了模型的正确性，可为后续密封性能分析和结构优化提供基础。确立端面最高温度、最大变形、摩擦功耗、磨损率和泄漏量作为密封性能影响参数，分析不同材料参数、工况参数、结构参数对船舶艉轴机械密封装置密封性能的影响。结果表明，选取Cr2O3作为动环材料时，船舶艉轴机械密封表现出较优的密封性能，密封适用于转速300~400r·min-1、内外压差4~6MPa的工况条件。 将端面变形、温度、摩擦功耗、磨损率和泄漏量为优化目标，采用响应面法对密封静环结构参数进行多目标优化，并验证了优化结构的可靠性，可有效提升密封性能。针对密封动环提出U型和V型两种改进结构，数值分析验证得出优化后的动环结构的密封性能有一定的提高。 设计船舶艉轴机械密封腐蚀性试验，分析不同动环材料受海水腐蚀的影响程度，对比浸泡海水前后密封端面的表面形貌和摩擦系数，结果表明Cr2O3的动环材料对海水腐蚀的抵抗能力较强。设计并搭建船舶艉轴机械密封性能试验装置，分析不同工况下的密封环密封性能，试验结果验证了数值模拟的合理性和准确性。 本文通过船舶艉轴机械密封数值模拟分析及试验研究，优化了密封结构，优选了密封环材料，为船舶艉轴机械密封的性能提升、优化设计提出了新的研究思路，有助于其工程应用及推广。 |
| 作者： | 张敬博 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 郑娆 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京化工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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